遺留煤柱下回采巷道布置及分區(qū)支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)研究

商永立

（晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河煤礦二號(hào)井，山西 晉城 048000）

1 工程概況

寺河煤礦與寺河二號(hào)井煤礦均為晉煤集團(tuán)下屬礦井，對(duì)同一煤田進(jìn)行回采的工作面互相獨(dú)立。寺河煤礦開(kāi)采完3 號(hào)煤的2305 與2306 工作面后，下部寺河二號(hào)井94313 工作面還未開(kāi)始回采。兩煤層垂直間距約50 m，且3 號(hào)煤回采后，在兩個(gè)大采高工作面中間留有遺留煤柱，如圖1 所示。

圖1 上下工作面相對(duì)位置圖

上覆3 號(hào)煤層2305 以及2306 大采高工作面中間保護(hù)煤柱65 m，寺河二號(hào)井94313 工作面布置在3 號(hào)煤下部。開(kāi)采的9 號(hào)煤層厚約1.2 m，傾角約3°，埋深約445 m，工作面長(zhǎng)195.8 m。由于94313 工作面與上方工作面在空間布置上有重合，導(dǎo)致94313工作面運(yùn)輸巷道距離切眼640～1790 m 范圍內(nèi)巷道完全在煤柱下部。該部分煤壁較為破碎，巷道變形量較大，極難維修。因此需要調(diào)整運(yùn)輸巷道的位置，對(duì)運(yùn)輸平巷進(jìn)行支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)，保證工作面安全回采。

2 回采巷道失穩(wěn)破壞原因分析

2.1 遺留煤柱應(yīng)力變化特征

2305 工作面與2306 工作面回采完成后，采場(chǎng)周?chē)拿簬r體應(yīng)力平衡狀態(tài)發(fā)生了改變，采空區(qū)垮落的頂板巖層所產(chǎn)生的作用力轉(zhuǎn)移到了煤柱、底板巖層和垮落的矸石上面。煤柱受到上覆巖層的自重應(yīng)力和采空區(qū)懸露巖層轉(zhuǎn)移到煤柱上的荷載的綜合影響，呈現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)力分布規(guī)律，而影響煤柱應(yīng)力分布特征的主要因素是煤柱寬度以及圍巖的作用。

2.2 下部煤層應(yīng)力傳遞影響變化特征

3 號(hào)煤層的兩個(gè)工作面回采結(jié)束后，保護(hù)煤柱需要承受采空區(qū)覆巖自重以及采空區(qū)局部垮落頂板傳遞的共同荷載。在兩者共同影響下，煤柱內(nèi)部產(chǎn)生極大的應(yīng)力集中。煤柱內(nèi)部應(yīng)力傳導(dǎo)至9 號(hào)煤層，在下部煤層開(kāi)挖后，煤層的應(yīng)力分布狀態(tài)與工作面上覆巖層完整時(shí)回采的應(yīng)力呈現(xiàn)較大不同。具體表現(xiàn)為，94313 工作面回采巷道開(kāi)挖后巷道周?chē)募袘?yīng)力與上方采空區(qū)煤柱傳遞下來(lái)的應(yīng)力發(fā)生疊加，導(dǎo)致巷道周?chē)鷳?yīng)力急劇增大，尤其是巷道幫部的支承壓力大于原有采動(dòng)的應(yīng)力，呈現(xiàn)出不均勻分布特征。在疊加應(yīng)力影響下，回采巷道極易變形、破壞，兩幫變形量不均等。

3 回采巷道合理位置及支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 回采巷道布置優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際工程條件和工程經(jīng)驗(yàn)，采空區(qū)下部巷道應(yīng)布置在上部采空區(qū)煤柱造成應(yīng)力疊加效應(yīng)導(dǎo)致下部煤層應(yīng)力升高范圍之外。

采空區(qū)遺留的煤柱受到采空區(qū)頂板自重以及垮落頂板大結(jié)構(gòu)的影響，自身承載較大的應(yīng)力，并且向下傳遞演化[1-3]。9 號(hào)煤層所在層位的應(yīng)力分布特征以及應(yīng)力擴(kuò)張導(dǎo)致的應(yīng)力分布邊界特征如圖2 所示。

圖2 下煤層應(yīng)力集中邊界圖

當(dāng)下部煤層開(kāi)挖，煤柱傳導(dǎo)下來(lái)的應(yīng)力會(huì)影響下部巷道開(kāi)挖原有的應(yīng)力分布。煤柱傳導(dǎo)應(yīng)力會(huì)呈現(xiàn)一定的擴(kuò)張趨勢(shì)，將原巖應(yīng)力等值線與鉛垂線的夾角視為支承壓力擴(kuò)張角θ[4-5]，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，取θ 為25°。

根據(jù)已知資料，9#煤與3#煤的垂直層間距H=50 m，故而根據(jù)幾何特征可知：

由計(jì)算可知，采空區(qū)煤柱傳遞的應(yīng)力的影響范圍擴(kuò)張到煤柱邊緣23.32 m，該范圍內(nèi)為應(yīng)力升高區(qū)，超出該邊界為應(yīng)力正常區(qū)域。因此，在布置巷道時(shí)，應(yīng)該布置在距離煤柱邊緣23.32 m 之外。

圖3 9 號(hào)煤層位垂直應(yīng)力分布特征

如圖3 所示，兩條垂直虛線表示上覆煤柱的邊緣。煤柱作為3 號(hào)煤層位主要的承載體，受到極高的應(yīng)力集中，應(yīng)力向下傳遞，致使9 號(hào)層位煤層的應(yīng)力分布改變。

A 區(qū)是下方工作面的應(yīng)力集中部分，峰值影響范圍約20 m，峰值應(yīng)力達(dá)到15 MPa；區(qū)域B 部分，寬度約115 m，范圍內(nèi)的應(yīng)力均大于原巖應(yīng)力；圖中C 區(qū)，距煤柱25 m 處的應(yīng)力減小至10 MPa，達(dá)到原巖應(yīng)力；D 區(qū)域表示遺留煤柱的影響范圍，約25 m。

綜合以上分析結(jié)果，考慮到回采巷道的安全性，確定距煤柱邊緣25 m 處為應(yīng)力升高區(qū)和應(yīng)力正常區(qū)的邊界位置。94315 工作面的回采巷道應(yīng)該布置在應(yīng)力升高區(qū)之外，即布置在采空區(qū)下方、上覆遺留煤柱25 m 范圍之外。

3.2 巷道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于回采巷道不可避免需要穿過(guò)煤柱的應(yīng)力集中影響范圍，根據(jù)上述分析的垂直應(yīng)力分布特征，采用分區(qū)支護(hù)方式，對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行不同的支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)，尤其對(duì)交叉區(qū)域，如圖4 所示，分為中心的A區(qū)和邊緣的B 區(qū)。根據(jù)該分區(qū)分別對(duì)非交叉區(qū)域、交叉區(qū)域不同的A、B 區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，分為以下三種不同的方式。

圖4 下部煤層回采巷道加強(qiáng)支護(hù)區(qū)域示意圖

（1）對(duì)于布置在采空區(qū)下方的區(qū)域，巷道布置距離煤柱邊緣大于30 m，該巷道未受到嚴(yán)重煤柱應(yīng)力集中影響，采用常規(guī)支護(hù)方案即可滿足巷道支護(hù)強(qiáng)度要求。

（2）布置在遺留煤柱中央20 m 范圍下方的A區(qū)域巷道，由于巷道受到極高的應(yīng)力作用，巷道極易發(fā)生失穩(wěn)破壞。優(yōu)化支護(hù)方案如下：

① 頂板：布置5 根Ф20 mm、長(zhǎng)2000 mm 錨桿，間距900 mm，排距800 mm；3 根Ф21.8 mm、長(zhǎng)8000 mm 的錨索，間距1200 mm、排距800 mm；錨索與錨桿相互交錯(cuò)布置，并鋪設(shè)金屬網(wǎng)。

② 巷幫：兩幫錨桿采用與頂板相同的型號(hào)，間距500 mm，排距800 mm，兩幫均布置4 根，鋪設(shè)金屬網(wǎng)。巷道支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)布置如圖5 所示。

圖5 A 區(qū)域巷道優(yōu)化支護(hù)斷面圖

（3）B 區(qū)域巷道優(yōu)化支護(hù)方案：頂板錨桿、錨索規(guī)格及間排距設(shè)計(jì)與A 區(qū)域相同，兩幫錨桿減少數(shù)量，增大間排距，即各布置3 根錨桿，間排距增大設(shè)計(jì)為600 mm×1000 mm。

4 巷道分區(qū)支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)效果分析

為了分析煤柱下方回采巷道變形特征，同時(shí)對(duì)94313 回采巷道支護(hù)方案進(jìn)行效果分析，對(duì)回采巷道進(jìn)行巷道變形監(jiān)測(cè)，布置6 個(gè)測(cè)點(diǎn)。巷道變形量如表1 所示。

表1 巷道表面移近量

由測(cè)點(diǎn)的巷幫及頂板移近量可以看出，巷道整體變形量不大，補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后，巷道變形得到了有效的控制。不同測(cè)點(diǎn)的巷道頂?shù)装逡平亢蛢蓭鸵平看嬖谳^大的差異，巷道越接近于煤柱下方的部位變形量越大，且巷道兩幫移近量均大于頂?shù)装逡平?。頂板下沉量最?9 mm，且沒(méi)有出現(xiàn)破碎、冒頂?shù)痊F(xiàn)象，兩幫移近量也較小，但越接近煤柱區(qū)域部分兩幫移近量越大，最大111 mm，但均在巷道允許變形范圍內(nèi)。補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)后巷道表面在工作面回采60 d 內(nèi)發(fā)生較大變形，工作面逐漸遠(yuǎn)離煤柱時(shí)，回采巷道完全處于采空區(qū)，沒(méi)有疊加應(yīng)力的影響之后巷道變形趨于穩(wěn)定，基本維持不變。

通過(guò)設(shè)計(jì)94313 工作面回采巷道的位置，并對(duì)遺留煤柱下的巷道進(jìn)行分區(qū)補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，降低了巷道大面積冒頂?shù)陌踩L(fēng)險(xiǎn)，工作面得以順利推進(jìn)，避免了遺留煤柱下煤炭資源的浪費(fèi)，巷道的翻修率也大大降低，提高了經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也為類(lèi)似的工程實(shí)踐提供借鑒。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)分析采空區(qū)下方回采巷道失穩(wěn)破壞的原因，對(duì)煤柱應(yīng)力傳遞后9 號(hào)煤層位的應(yīng)力分布進(jìn)行分區(qū)域分析。確定遺留煤柱對(duì)下方煤層的應(yīng)力影響范圍，回采巷道布置在采空區(qū)下方，上覆遺留煤柱25 m 范圍之外。

（2）對(duì)94315 回采巷道進(jìn)行分區(qū)段支護(hù)方案設(shè)計(jì)，對(duì)于垂直應(yīng)力較高的A 區(qū)域重點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)。最后對(duì)巷道變形量進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果表明位置優(yōu)化后巷道變形量較小，有較高的穩(wěn)定性。